6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ Основные положения
Процесс движения свободной (гравитационной) воды в двухфазной системе называют фильтрацией. Характеризуют этот процесс коэффициентом фильтрации k f (м/сут).
Различают движение воды в полностью водонасыщенных грунтах (двухфазная с стема – твердая и жидкая фазы) и в не полностью насыщенных (трехфазная система – твердая, жидкая и газообразная фазы). В первом случае говорят о водопроницаемости грунтов и
фильтрац воды, а во втором – о влагопереносе в грунтах. |
||
С |
|
|
Водопрон цаемостью называется способность водонасыщенно- |
||
го грунта пропускать воду за счет градиента напора. Водопроницае- |
||
мость связана с |
льтрацией воды. |
|
Механ змы водопереноса в грунтах разнообразны и состоят из |
||
вязкого течен я |
д |
пара, вязкого течения жидкого конденса- |
ффузии та и пленокб. Эти потоки характеризуются единым коэффициентом
влагопроводности К (м/сут), отражающим способность ненасыщенного грунта проводить влагу. Коэффициент К равен количеству влаги, переносимой в грунте в единицу времени через единицу площади при единичном градиенте потенциала влаги*).
Коэффициент влагопроводности К по мере увеличения степе-
|
|
|
|
|
|
ни заполнения пор водой Sr не- |
|
K |
|
|
Алинейно возрастает и в состоя- |
||||
|
|||||||
|
|
|
kf , м/сут |
|
нии |
полного водонасыщения |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
достигает значений, равных ко- |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Kw |
|
|
|
|
эффициенту фильтрации данного |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
грунта (рис. 17). |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Д |
||
|
|
|
|
|
|||
|
KП |
|
|
|
|
|
В общем случае К склады- |
|
|
|
|
|
вается из двух составляющих: |
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Sr |
|
переноса воды в форме жидкости |
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
|
|||||
|
|
КW |
и в форме пара КП . |
||||
Рис. 17. Общий вид зависимости коэффи- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
И |
Коэффициент паропроводности КП достигает максимального
значения, а затем снижается по мере перехода системы из двухфазной
в трехфазную.
Для песчаных грунтов имеют место корреляционные связи между коэффициентом фильтрации и диаметром частиц. Зачастую используется зависимость
k Cd 2 |
, |
С |
|
f 10 |
|
где – коэффициент гидравлической проводимости, зависящий от зер-
нового состава песка, ориентировочно равен 8 108 м-1сут-1; d10 – расчетный д аметр част ц, соответствующий 10 % по массе, определяемый
работки |
|
|
|
|
|
|
по кривой гранулометр ческого состава. |
|
|
|
|||
Для земляных сооружений, глинистый грунт которых после раз- |
||||||
уплотнен, значение коэффициента фильтрации (мм/сут) можно |
||||||
оценить по корреляц онной зависимости. |
|
|
|
|||
б |
|
0,24I p ) 4,29 |
||||
k f |
0,0174 |
|
е 0,027(IL |
|||
|
(1 е) |
|
|
I p |
|
|
где е – коэфф ц ент пористости; IL – показатель текучести; Ip – число пласт чности.
,
Снижения коэффициента фильтрации глинистых грунтов можно достигнуть их обра откой химическими методами и, в частности, иньекцией водяного раствора гидроксида натрия NаОН с добавкой негаше-
ной извести СаО. Исследования, выполненные в |
И, показали, что |
|||
степень снижения коэффициентаСибАфильтрации глинистого грунта (с чис- |
||||
лом Ip от 5 до 21) при его обработке раствором NаОН (с концентрацией |
||||
от 2,5 до 7,5 н – нормальность) составляет [7,8] |
|
|||
N |
|
k f |
27,16 10,11н 0,17I p 3,33н2 0,12I p2 |
0,90нI p , |
|
k Nf |
|||
где k f , k Nf |
|
Д |
||
– коэффициенты фильтрации грунта до и после его обработки |
||||
раствором NаОН; н – концентрация раствора, выраженная числом грамм- |
|
эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора |
|
(5 н– 200 г на 1 л раствора). |
И |
Согласно этому выражению степень снижения N коэффициента фильтрации глинистого грунта после его обработки раствором NаОН составляет от 45 до 285 раз.
Способность грунтов пропускать через себя воду под действием гидростатического напора называется фильтрацией.
47
Согласно закону Дарси*) при ламинарном движении воды в полностью водонасыщенном грунте количество воды q, фильтрующейся через него в единицу времени, пропорционально площади А, разности напоров воды H H2 Н1, под действием которой происходит фильтрация, и
обратно пропорционально длине пути фильтрации L (рис. 18):
С |
q k f A HL 1 |
, |
|
(44) |
|
HL 1 J |
|
|
|
где k f – коэффициент фильтрации; |
– гидравлический |
|||
градиент напора. |
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
Рис. 18. Схема установки для определения |
|
||
|
коэффициента фильтрации песка |
|
|
|
Скорость фильтрации определяется как расход воды, протекаю- |
||||
щей через единицу площади поперечного сечения потока: |
|
|||
|
Д |
|
||
|
v f q A 1 k f J , |
|
|
(45) |
т.е. скорость фильтрации зависит линейно от гидравлического |
||||
|
|
И |
||
градиента. Знак минус указывает, что движение воды направлено в сторону уменьшающихся напоров.
Из линейного закона фильтрации (45) следует: коэффициент фильтрации k f представляет собой скорость фильтрации воды при
градиенте напора J=1. Измеряется k f в м/сут, см/с.
__________________________________________________________
*) Дарси (1803–1858) – французский инженер-гидравлик и ученый, автор работ по изучению движения жидкости по трубам, каналам и пористым грунтам, водопроводных сетей в Джоне и Париже.
48
vf |
В плотном глинистом грунте, в по- |
рах которого свободная вода отсутствует, |
|
т.е. |
она содержится преимущественно в |
Ссвязанном состоянии, фильтрация воды
1 |
|
|
|
начинается только при градиенте, |
боль- |
||||||||
|
|
|
шем некоторого значения J0 , необходи- |
||||||||||
|
|
|
|
|
В |
|
|||||||
|
|
|
|
|
2 |
мого для преодоления сопротивления ее |
|||||||
|
|
|
А |
движению (рис. 19). |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
J0 |
|
|
J |
|
На |
участке |
установившейся |
|||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
фильтрации ВС её скорость определяет- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
ся выражением |
|
|
|
|||
|
сти |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Рис. 19. Зав с мость скоро- |
|
|
v f |
k f (J J0 ) , |
(46) |
|
||||||
Сф льтрац воды v f в |
где J0 – начальный градиент. |
|
|
||||||||||
|
грунтах от г дравл |
ческого |
|
|
|||||||||
|
|
градиента J : 1 – пески; 2 – |
|
Величина коэффициента для раз- |
|||||||||
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
гл н стые грунты |
личных грунтов изменяется в широких |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
пределах (табл. 16) и является количест- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
венной характеристикой степени его во- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
допроницаемости (табл. 17). |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
А |
Таблица 16 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации грунтов |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
(извлечение из ГОСТ 25100-2011[2]) |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент фильтрации |
|||
|
|
|
Разновидность грунтов |
|
Д |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k f , м/сут |
|
|
|
|
|
Торф |
|
|
|
|
|
0,01…4 |
|
|
||
|
|
|
Глина |
|
|
|
|
0,001…0,01 |
|
|
|||
|
|
|
Суглинок |
|
|
|
|
|
0,01…0,1 |
|
|
||
|
|
|
Супесь |
|
|
|
|
|
0,1…0,5 |
|
|
||
|
|
|
Пески: пылеватый |
|
|
|
И |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
0,5…1,0 |
|
|
||||
|
|
|
|
мелкозернистый |
|
|
|
|
1…5 |
|
|
||
|
|
|
|
среднезернистый |
|
|
|
|
5…15 |
|
|
||
|
|
|
|
крупнозернистый |
|
|
|
|
15…50 |
|
|
||
|
|
|
Песчано-гравийная смесь |
|
|
|
|
50…100 |
|
|
|||
|
|
|
Гравий |
|
|
|
|
|
100…200 |
|
|
||
49
Таблица 17
Подразделения грунтов по степени водопроницаемости (извлечение из ГОСТ 25100-2011[2])
Разновидность грунтов |
Коэффициент фильтрации |
|
k f , м/сут |
||
|
С |
|
|
|
Водонепроницаемый |
<0,005 |
|
лабоводопроницаемый |
0,005…0,30 |
|
Водопроницаемый |
0,30…3 |
|
ильноводопрон цаемый |
3…30 |
|
Очень с льноводопрон цаемый |
>30 |
|
сниженю коэфф ц ента фильтрации. Добавление к песку всего 10% |
|
|
Коэфф ц ент ф льтрации грунтов |
зависит от физических |
свойств грунта ф з ко-химических свойств воды.
М неральный состав влияет на величину коэффициента фильтрации грунтабчерез д сперсность и пористость грунта. В дисперсных грунтах, включая пески, примесь глинистых минералов приводит к
глинистых част ц сн жает водопроницаемость более чем на 50%.
На коэфф ц ент фильтрации влияют: гранулометрический со-
Грунты, обладающиеАанизотропными свойствами (например, ленточные грунты, лессовидныеДгрунты) имеют в отношении водопроницаемости ярко выраженную анизотропию.
став, его однородность, извилистость и размер пор и др.
В однородных по гранулометрическому составу грунтах коэф-
фициент фильтрации ольше, чем в неоднородных.
Водопроницаемость пород резко снижается при их уплотнении, а также при разуплотнении и высыхании.
Глинистые породы при высыхании дают усадку, грунт растрескивается, и водопроницаемость их сильно повышаетсяИ.
Водопроницаемость глинистых пород может увеличиваться и
при растворении и выщелачивании содержащих в их составе солей.
Из внешних факторов существенное влияние на водопроницаемость грунтов оказывает температура. Так как вязкость воды снижается с повышением ее температуры, то полученное в испытаниях значение k f при фактической температуре воды Т приводят к температу-
ре 10 оС путем его деления на поправку: |
|
|
0,70 0,03Т , т.е. k10f |
k f 1 |
(47) |
50
Расчетное значение коэффициента фильтрации k10fr следует принимать равным нормативному k10fn , которое рассчитывается как среднеарифметическое n частных значений коэффициента фильтрации k10fi
|
|
|
k10fr |
k10fn |
1 n |
(48) |
|
|
|
k10fi . |
|||
С |
|
n i 1 |
|
|||
|
углинки и глины в полутвердом и твердом состояниях отно- |
|||||
сятся к водонепроницаемым грунтам. |
|
|||||
Определяют коэффициенты фильтрации грунтов |
в лаборатор- |
|||||
ных (ГО Т 25584-90[12]) и полевых условиях методом пробных от- |
||||||
качек |
воды з |
спец ально |
устраиваемых скважин (при высоком |
|||
уровне подземных вод) или методом налива воды в скважину, при от- |
||||||
сутств |
|
подземных вод (ГОСТ 23278-2014). |
|
|||
Полевые |
спытан я дают олее надежные результаты по срав- |
|||||
|
с |
лабораторными |
|
|||
|
|
. Однако в лабораторных условиях можно оп- |
||||
ределить коэфф ц ент фильтрации как в вертикальном, так и гори- |
||||||
нениюзонтальном направлен ях. В физически анизотропных грунтах водо- |
||||||
проницаемость |
в гор зонтальном |
направлении может |
быть значи- |
|||
тельно выше, чем в вертикальном.
Коэффициент фильтрацииАиспользуется при расчетах и компьютерном моделировании движения подземных вод через основание и тело земляных сооружений, дренирующих слоев, фильтрационных завес, оценках фильтрационной консолидации грунтов в основании зданий и сооружений, в частностиДпри определении коэффициента фильтрационной консолидации и расчете осадок во времени [1,2,3,4].
Целью лабораторной работы является приобретение студентами практических навыков по определению коэффициента фильтрации грунтов в соответствии с нормативными документами.
6.1. Определение коэффициента фильтрацииИпесчаного
грунта в приборе Союз орНИИ
Согласно ГОСТ 25584-90 12 этот метод распространяется на песчаные грунты, применяемые в дорожном и аэродромном строительстве для устройства дренирующих и морозозащитных слоев дорожной и аэродромной одежд.
Коэффициент фильтрации определяют на образцах нарушенного сложения при максимальной плотности и оптимальной влажности, значения которых предварительно устанавливают по ГОСТ 227332002 [9].
51
Необходимоеоборудованиеиприборы
Фильтрационный прибор СоюзДорНИИ (рис. 20); трамбовка с массой падающего груза (рис. 22); весы; термометр с погрешностью измерения не более 0,5 оС по ГОСТ 28498; секундомер; эксикатор по ГО Т 23932; сито с отверстиями диаметром 5 мм; цилиндр мерный вместимостью 100 мл; чашка фарфоровая; емкость для воды вместимостью 8…10 л; линейка металлическая длиной 300 мм; нож из нержавеющей стали с прямым лезвием.
Подготовкакиспытанию |
|
фильтрац |
|
СПесок воду, предназначенные для определения коэффициента |
|
, выдерж вают в ла оратории до выравнивания их темпе- |
|
ратуры с температурой воздуха. |
|
б |
|
А |
|
Д |
|
|
И |
Рис. 20. Схема прибора СоюзДорНИИ для оп- |
Рис. 21. Схема трамбовки: |
ределения коэффициента фильтрации песчаных |
1 – направляющая; 2 – фиксатор; |
грунтов:1 – образец; 2 – пьезометр; 3 – фильт- |
3 – падающий груз; 4 – наковальня |
рационная трубка; 4 – стакан; 5 – сетка; 6 – перфорированное
съемное дно; 7 – подставка; 8 – поддон
Просеивают через сито с отверстиями 5 мм предварительно высушенный до воздушно-сухого состояния песчаный грунт и определяют его гигроскопическую влажность.
52
Отбирают в фарфоровую чашку пробу грунта способом квартования массой не менее 450 г, увлажняют с помощью мерного цилиндра отобранную пробу до оптимальной влажности и выдерживают её в эксикаторе с водой не менее 2 ч. Пески крупные и средней крупности допускается не выдерживать в эксикаторе.
Необходимый для увлажнения объём воды, см3, определяют по
формуле |
|
|
|
|
|
|
С |
Q |
m W0 Wg |
|
|||
|
|
w |
1 W |
, |
(49) |
|
|
|
|
g |
|
||
где m − масса пробы грунта, г; W0 − оптимальная влажность грунта, |
||||||
помещения |
|
|
|
w − |
||
доли ед.; Wg − г гроскопическая влажность грунта, доли ед.; |
||||||
плотность воды, пр н маемая равной 1 г/см3. |
|
|||||
Из подготовленной про ы влажного грунта отбирают навеску |
||||||
массой m1 для |
в фильтрационную трубку прибора 3 и на- |
|||||
б |
|
|||||
веску для контрольного определения фактической влажности грунта. |
||||||
Массу навески m1, г, вычисляют по формуле |
|
|||||
|
m1 V d max 1 W0 , |
(50) |
||||
где V − объём грунта в тру ке, равный 200 см3; d max − максимальная |
||||||
|
А |
|
||||
плотность, установленная по ГОСТ 22733 [8], г/см3. |
|
|||||
Фильтрационнуютру купри оразаполняютпескомвследующемпорядке:съёмное перфорированное дно с латунной сеткой, покрытой кружком марли, смоченной водой, крепят к трубке и ставят её на же-
сткое массивное основание;
навеску влажного грунтаДмассой m1 делят на три порции и последовательно укладывают их в трубку, уплотняя каждую из них при помощи трамбовки, производя по 40 ударов груза с высоты 30 см. Перед укладкой каждой порции поверхность предыдущей уплотненной порции взрыхляют ножом на глубину 1…2Имм;
измеряют линейкой расстояние от верхнего края трубки до поверхности уплотненного грунта. Измерения проводят не менее чем в трех точках. В расчет принимают среднее значение. При высоте образца грунта в трубке более 100 мм проводят дополнительное уплот-
нение, которое заканчивают при высоте образца (100 1) мм. Укладывают на поверхность грунта слой гравия (фракция 2…5
мм) толщиной 5…10 мм.
Устанавливают трубку с грунтом на подставку 7 и вместе с ней помещают в стакан, который постепенно наполняют водой до верха.
Помещают стакан с трубкой в ёмкость для воды и заполняют ее до уровня выше слоя гравия на 10…15 мм.
53
После появления воды в трубке над слоем гравия доливают воду в верхнюю часть трубки примерно на 1/3 её высоты.
Извлекают стакан с трубкой из ёмкости, устанавливают её на поддон. В этом случае начальный градиент напора воды в образце грунта равен единице.
С |
Проведениеиспытания |
Испытания проводят в следующем порядке: |
|
доливают воды в трубку не менее чем на 5 мм выше нулевого |
|
деления; |
|
при вытекан воды через перфорированное дно определяют с помощью секундомера падение уровня воды в пьезометре от 0 до 50 мм.
Указанную операцию повторяют не менее 4-х раз, каждый раз доливая воду в тру ку на 5 мм выше нулевого деления. В расчет при-
нимают среднее время падения уровня воды. В случае отклонений от- |
|||||||
более |
|
|
|
||||
дельных отсчетов от среднеарифметического значения более чем на |
|||||||
10 % следует увел |
ч ть число определений. |
|
|
|
|||
Привремени падения уровня воды в пьезометре более 2 мин до- |
|||||||
пускается уменьш ть высоту падения уровня. При времени падения |
|||||||
уровня воды |
10 мин допускается проводить испытание при гра- |
||||||
диенте напора, равном 2. В этом случае трубку с подставкой извлека- |
|||||||
ют из стакана и ставят непосредственно на поддон. |
|
|
|||||
В течение всего испытания не допускается снижение уровня во- |
|||||||
ды в трубке ниже слоя гравия. |
|
|
|
|
|
||
Разность между плотностью сухого грунта в трубке |
и макси- |
||||||
|
А |
di3 |
|
||||
мальной плотностью d max не должна превышать 0,02 г/см . В про- |
|||||||
тивном случае испытания повторяют. |
|
|
|
|
|
||
Плотность сухого грунта в трубке, г/см3, вычисляют по формуле |
|||||||
|
|
mi |
|
|
И |
||
|
|
|
|
|
|||
|
di V Д(1 W ) , |
(51) |
|||||
|
|
i |
i |
|
|
|
|
где Vi − фактический объём грунта в трубке, см3; Wi −фактическая влажность грунта в трубке, доли.
Обработкарезультатовиспытаний
Коэффициент фильтрации грунта, м/сут, приведённый к услови-
ям фильтрации при температуре 10 оС, вычисляют по формуле |
|
|||||||||
|
10 |
|
h |
|
S |
|
|
864 |
|
|
k |
|
|
|
|
, |
(52) |
||||
f |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
||||||||
|
|
t |
|
H0 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
54
где h − высота образца грунта в трубке, см; t – время падения уровня воды, с; S − наблюдаемое падение уровня воды в пьезометре, отсчитанное от первоначального уровня, см; H0 − начальный напор, см;
|
(S/H0)− безразмерный коэффициент, определяемый по прил. 1; − |
|||||||||||||||||||||||
|
поправка для приведения значения коэффициента фильтрации к усло- |
|||||||||||||||||||||||
|
виям фильтрации воды при температуре 10 оС, рассчитываемая по |
|||||||||||||||||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
формуле (48); 864 − переводной коэффициент (из см/с в м/сут). |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
Количество частных определений коэффициента фильтрации |
||||||||||||||||||||||
|
должно быть не менее трех. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
Пр меробработкирезультатовиспытаний |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
определения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
Исходные данные |
результаты испытаний заносятся в столбцы |
|||||||||||||||||||||
|
с 1 по 6 табл. 18. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 18 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Журнал для |
|
|
|
|
|
|
|
коэффициента фильтрации песка |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Но- |
h, |
S, |
|
H0, |
t, с |
T, |
о |
С |
|
|
|
S |
|
φ |
|
k10f , |
|
|
|
10f , |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
||||||||||||||
|
мер |
см |
см |
|
см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H0 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
ис- |
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
S |
|
м/сут |
|
м/сут |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
пы- |
|
|
|
|
H0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
та- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
ния |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
10 |
2,5 |
|
10 |
120 |
20,0 |
|
1,300 |
|
0,25 |
0,288 |
15,95 |
|
22,19 |
|
||||||||
|
2 |
10 |
3,0 |
|
10 |
100 |
19,0 |
|
1,270 |
|
0,30 |
0,357 |
24,29 |
|
|
|||||||||
|
3 |
10 |
3,5 |
|
10 |
110 |
19,5 |
|
1,285 |
|
0,35 |
0,431 |
26,34 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
По формуле (47) рассчитывается величина поправки для при- |
||||||||||||||||||||||
|
ведения значения коэффициента фильтрации к условиям фильтрации |
|||||||||||||||||||||||
|
при температуре 10 оС. Например, для первого испытания |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= 0,7+0,03·20Д= 1,300. |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
Результаты расчетов заносятся в столбец 7 табл. 18. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
По прил. 6 определяется коэффициент φ( Ѕ/H0 ), значения кото- |
||||||||||||||||||||||
|
рого заносятся в столбец 9 табл. 18. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
По формуле (9) рассчитываются значения коэффициентов |
||||||||||||||||||||||
|
фильтрации, которые заносятся в |
столбец 10Итабл. 18. Например, для |
||||||||||||||||||||||
|
первого испытания |
|
|
10 |
0,288 864 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
k10f |
15,95 м/сут. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
120 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
55
Среднеарифметическое значение коэффициента фильтрации определяется по формуле (48):
k10f 13 15,95 24,29 26,34 22,19м/сут,
которое заносится в столбец 11 табл. 18.
Вывод. Расчетное значение коэффициента фильтрации песка со- Сгласно формуле (48) составляет k10fr 22,19 м/сут.
Песок среднезернистый, сильноводопроницаемый.
6.2. Определен е коэффициента фильтрации песчаного делениегрунта в приборе ПКФ-3 СоюзДорНИИ
огласно ГОСТ 25584-90 12 метод распространяется на опрекоэфф ц ента фильтрации песчаных грунтов на образцах не-
нарушенногоб(пр родного) или нарушенного сложения. Для вычисления коэфф ц ента ф льтрации песчаных грунтов ненарушенного
сложен я следует пр менять о разцы, высушенные до воздушно-
сухого состоян я.
НеоАходимоео орудование иприборы
Прибор ПКФ-3 (рис. 22); уплотнитель (рис. 23); сито с отверстиями диаметром 5 мм по ГОСТ 6613; емкость для воды вместимостью 8…10 л; термометр с погрешностьюДизмерения не более 0,5 оС по ГОСТ 28498; секундомер; нож; лопатка; марлевая прокладка.
Подготовкакиспытанию
Перед началом испытания прибор ПКФИ-3 разбирается.
Для определения коэффициента фильтрации песчаного грунта его предварительно высушивают на воздухе до воздушно-сухого состояния, а затем просеивают через сито.
Просеянный песок перемешивают и распределяют слоем 2…3 см на листе плотной бумаги или фанеры, делят поверхность слоя на кварты, проводя ножом в продольном и поперечном направлениях полосы, и отбирают из каждого квадрата равное количество песка для средней пробы массой не менее 0,9 кг.
56
Отобранную среднюю пробу песка помещают в чашку, увлажняют водой из расчета 8 % (по массе), покрывают влажной тканью и помещают в эксикатор с водой не менее чем на 2 часа (для равномерного смачивания песка и набухания пылеватых и глинистых частиц). При проведении лабораторной работы 2-часовое ожидание не проводится.
Определение коэффициента фильтрации песчаных грунтов нарушенного сложения производят после предварительного их уплотнения в цилиндре фильтрационной трубки прибора (см. рис. 23) до заданной плотности.
Грунт уплотняется в 3 слоя. Каждый слой уплотняется 25 уда-
рами г ри с высоты 30 |
см. |
|
ационного |
|
|
В поддон 2 с латунной сеткой помещают кружочек марли диа- |
||
Сметром, равным внутреннему диаметру поддона, вставляют цилиндр |
||
заостренным торцом в поддон так, чтобы заостренный торец плотно |
||
прилегал к его донышку. |
|
|
б |
||
Затем поддон переносится на жесткое основание. |
||
На борт к ф льтр |
|
цилиндра 1 надевают кольцо-насадку и |
укладывают перемешанный песок в цилиндр слоем толщиной 4 см. С помощью трамбовки (см. р с. 23) производят уплотнение уложенного слоя.
После уплотненияАпервого слоя песка, взрыхлив ножом его поверхность на глу ину 1…2 мм, в цилиндр засыпают второй слой песка такой же толщины, что и первый, и снова уплотняют. Аналогично поступают и с третьим слоем.
Окончив уплотнение верхнего слоя, насадку снимают и выступающий грунт срезают ножом заподлицоДс верхней кромкой.
Проведениеиспытания
Цилиндр с образцом песка помещают на подставку 7 телескопического приспособления и медленно погружают с помощью штурвала 9 в воду, содержащуюся в корпусе 1 до отметкиИ0,8 шкалы гидравлического градиента для насыщения песка водой. Об этом судят по изменению его окраски.
На бортик цилиндра надевают сито, а затем плотно насаживают мерный сосуд 5. Поддон 2 с фильтрационным цилиндром опускают в крайнее положение – до совмещения отметки 0 шкалы.
При появлении воды в камере мерного сосуда под ситом очищают отверстие в камере и осторожно заполняют водой резервуар мерного сосуда. Для медленно фильтрующих песков (мелких и пылеватых) воду в резервуар следует наливать до отметки 90 на шкале резервуара, т.к. при полном заполнении его водой поплавок 6 не сможет удержать столб воды в резервуаре.
57
С |
|
|
и |
|
|
б |
|
|
А |
||
Рис. 22. Схема прибора ПКФ-3 |
|
Рис. 23. Схема трамбовки: |
для определения коэффициента фильтрации |
1 – цилиндр фильтрацион- |
|
|
СоюзДорНИИ |
|
песчаных грунтов: 1 – цилиндр фильтрационной |
ной трубки прибора; |
|
трубки прибора; 2 – поддон; 3 – сетка; 4 – сито; |
2 – поддон; |
|
5 – мерный сосуд; 6 – поплавок; 7 – подставка; |
3 – кольцо-насадка; |
|
8 – корпус прибора; 9 – подъемный винт; |
4 – гиря ударная |
|
10 – шкала гидравлического градиента со стрелкой-И указателем; 11 – втулка; 12 – винтовое телескопиче-
ское приспособление
58
Вращая подъемный винт, устанавливают подставку в фильтрационном цилиндре на значение гидравлического градиента 1, одновременно поддерживая постоянный уровень воды у верхнего края корпуса, чтобы не произошло отрыва нижней поверхности образца песка от воды (в таком положении уровень воды должен быть в течение всего опыта). Затем замеряют температуру воды Тfн с точностью до 0,5 о и замечают на шкале резервуара мерного сосуда её уровень, одновременно включая секундомер. По истечении определенного времени t (20…100 с для медленно фильтрующих песков) отмечают второй уровень воды в резервуаре (замечая время, как и в первом
случае), что дает возможность определить объем воды V, см3, про- |
||||
фильтрующ3 |
|
|
|
|
фильтровавшейся через песок за время t, с. В конце опыта необходи- |
||||
Смо замер ть температуру воды в сосуде Tfk . |
|
|
||
Опыт проводят не менее 3-х раз. |
|
|
|
|
Оп санным методом определяют коэффициент фильтрации при |
||||
б |
|
|
|
|
гидравл ческом град енте, изменяющемся от 0,1 до 1. Для медленно |
||||
х песков ( для которых за 60 с расход воды на фильтра- |
||||
цию не превышает 10 см ) испытание следует проводить при гидрав- |
||||
лическом град енте, равном 1. |
|
|
|
|
О ра откарезультатовиспытаний |
|
|||
Коэффициент фильтрации грунта k10f , |
м/сут, приведенный к ус- |
|||
|
Д |
|
||
ловиям фильтрации при температуре 10 |
оС, вычисляют по формуле |
|||
А864 V |
(53) |
|||
k10f |
tA J |
, |
|
|
где V − объем профильтровавшейся воды при одном замере, см3; t− |
||||
продолжительность фильтрации, с; А − площадь поперечного сечения |
||||
|
|
|
И |
|
фильтрационного цилиндра, см2; − поправка для приведения значе-
ния коэффициента фильтрации к условиям фильтрации воды при температуре 10 оС, рассчитывается по формуле (47); 864 − переводной коэффициент (из см/с в м/сут), J – гидравлический градиент напора, равный 1.
Вычисления проводят с точностью до второго знака после запятой.
Примеробработкирезультатовиспытаний
Исходные данные и результаты испытаний заносятся в табл. 19. Определяется значение температуры в период фильтрации T f как среднее между Tfн и Tfk .
59
Таблица 19
Журнал для определения коэффициента фильтрации песка
номер ис- |
V, |
tm , с |
А, |
Ј |
Tfн , |
Tfк , |
|
|
|
|
10 |
|
|
10 |
|||
T f |
|||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||
пытания |
3 |
|
2 |
|
о |
С |
о |
С |
|
k f , |
k f , |
||||||
см |
|
см |
|
|
|
|
|
|
|
м/сут |
м/сут |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|||||||
1 |
6 |
115 |
40 |
1 |
20 |
21 |
20,5 |
1,315 |
0,85 |
0,95 |
|||||||
2 |
8 |
125 |
40 |
1 |
21 |
22 |
21,5 |
1,345 |
1,03 |
||||||||
3 |
7 |
120 |
40 |
1 |
20 |
21 |
20,5 |
1,315 |
0,96 |
|
|
|
|||||
По формуле (47) рассчитывается величина поправки для при- |
|||||||||||
фильтрац |
|
|
|
|
|
||||||
ведения значен я коэффициента фильтрации к условиям фильтрации |
|||||||||||
Спри температуре 10 оС. Например, для первого испытания = 0,7 + |
|||||||||||
+0,03 · 20,5 = 1,315. Результаты расчетов заносятся в |
столбец 9 табл. |
||||||||||
19. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По формуле |
(10) рассчитываются значения |
коэффициентов |
|||||||||
в каждом испытании, которые заносятся в столбец 10 |
|||||||||||
табл. 19. Напр мер, для первого испытания |
|
|
|||||||||
|
|
k10f |
|
|
864 |
6 |
|
0,85 м/сут. |
|
(54) |
|
|
|
115 |
40 1,351 1 |
|
|||||||
Определяетсябсреднеарифметическое значение коэффициента |
|||||||||||
фильтрации по формуле (48): |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
10f |
1 0,85 1,03 0,96 |
0,95 м/сут, |
|
(55) |
|||||
|
k |
|
|||||||||
|
|
|
3 |
|
|
|
Д |
|
|||
которое заносится в |
Астолбец 11 табл. 19. |
|
|
||||||||
Вывод. Расчетное значение коэффициента фильтрации песка со- |
|||||||||||
ставляет k10fr 0,95 |
м/сут. Согласно табл. 16 и 17 песок пылеватый, |
||||||||||
водопроницаемый. |
И |
|
6.3. Определение коэффициента фильтрации глинистого грунта в компрессионном приборе полевой лаборатории ПЛЛ-9
Метод распространяется на определение коэффициента фильтрации глинистых грунтов на образцах как ненарушенного (природного), так и нарушенного сложения.
Необходимоеоборудование иприборы
Компрессионный прибор из комплекта полевой лаборатории Литвинова ПЛЛ-9; воронка; сосуд для слива воды вместимостью 1 л; секундомер; термометр.
60
Подготовкакиспытанию
Компрессионный прибор (рис. 24) закрепляют с помощью струбцины на горизонтальной поверхности. На верхней части прибора устанавливают телескопическую стойку 1, которую раздвигают таким образом, чтобы расстояние от верхней черты на стеклянной трубке 2 под воронкой 3 до оси верхней выводной трубки 4 из ком-
прессионного прибора равнялось заданному напору Н, см.
Сприбора.
Затем компрессионную гильзу с образцом грунта устанавливают в прибор. При этом с помощью пластилина должно быть обеспечено гермет чное соед нен е торцов кольца с нижней и верхней частями
жимаПосле установки образца из нижней части прибора удаляют воздух, пропуская через нее воду, заливаемую в воронку (при открытой выводной трубке 6 в н жней части прибора). Затем при помощи за-
выводную тру ку закрывают, а воронку доливают водой доверху и увлажняютОбспытуемый о разец, пропуская воду снизу вверх до полного насыщен я грунта. этом будет свидетельствовать появление воды в верхней части при ора. Во время проведения испытания
необход мо про звести измерить температуру воды. А
ДРис. 24. Схема полевого компрессионного прибора:1 – телескопическая стойка; 2 – стеклянная трубка; 3 – воронка; 4 – верхняя выводнаяИтрубка; 5 – образец грунта; 6 – нижняя выводная трубка
61
Проведениеиспытания
С помощью рычажного устройства прикладывают к образцу заданную вертикальную нагрузку и выдерживают под ней образец до условной стабилизации осадки.
Затем открывают кран воронки 3 и подвергают образец напорной фильтрации при заданной высоте напора Н, см, отсчитывая его от верхней выводной трубки и отмечая с помощью секундомера время t, с, в течение которого уровень воды в трубке понизится на определенную вел ч ну h, см, например, 5 или 10 см. Повторность испытания с
|
образцом должна быть не менее трех. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
ловиям |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
СОбработкарезультатовиспытаний |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Коэфф ц ент ф льтрации грунта |
k10f , |
м/сут, приведенный к ус- |
||||||||||||||||
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
ф льтрац |
при температуре 10 оС, вычисляют по формуле |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
k10f |
13,52Б(hH 1)(t ) 1, |
|
|
(56) |
|
|||||||||||
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
где Б(hH 1) − коэффициент, |
зависящий от отношения понижения |
|||||||||||||||||
|
уровня воды в тру ке h к начальной высоте напора Н (прил. 7), |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
Б(hH 1) [ ln(1 hH 1)]; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
Д |
|
|
|
||||||||||
|
t – продолжительность опыта, с; |
– поправка для приведения значе- |
|||||||||||||||||
|
ния коэффициента фильтрации воды при температуре 10 оС, рассчи- |
||||||||||||||||||
|
тываемая по формуле (47). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Примеробработкирезультатовиспытаний |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Измеренные значения параметров испытаний заносят с 1-ого по |
||||||||||||||||||
|
5-й столбцы табл. 20. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 20 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Журнал для определения коэффициента фильтрации глины |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номер ис- |
Н, см |
h, см |
|
t, с |
T , |
о |
С |
|
|
|
Б |
10 2 |
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|
|
Иk 10 , |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
k f 10 |
2 |
, |
|
||
|
пытания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м/сут |
|
м/сут |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
|
|
6 |
|
7 |
8 |
|
9 |
|
|
|
||
|
1 |
30 |
5 |
|
300 |
18,0 |
|
1,240 |
|
0,18233 |
0,66 |
|
0,74 |
|
|
|
|||
|
2 |
30 |
5 |
|
270 |
18,5 |
|
1,255 |
|
0,18233 |
0,73 |
|
|
|
|
||||
|
3 |
30 |
5 |
|
240 |
17,5 |
|
1,255 |
|
0,18233 |
0,84 |
|
|
|
|
|
|
||
62
По формуле (47) рассчитывается величина поправки для приведения значения коэффициента фильтрации к условиям фильтрации при температуре 10 оС. Например, для первого испытания = =0,7+0,03·18=1,240. Результаты расчетов заносятся в столбец 6 табл. 20. По прил. 7 при Н = 30 см и h = 5 см определяется коэффициент Б =
=0,18233 и заносится в |
столбец 7 табл. 20. По формуле (56) для каж- |
||||||
С |
|
|
|
||||
дого испытания рассчитывается значение коэффициента фильтрации, |
|||||||
которое заносится в столбец 8 табл. 20. Например, для первого испы- |
|||||||
тания |
k10f 1 13,52 0,18233 300 1,240 1 0,66 10 2 м/сут. |
||||||
значение |
|
||||||
|
реднеар фмет ческое значение коэффициента фильтрации оп- |
||||||
ределяется по формуле (48): |
|
||||||
|
|
|
k |
10f 1 0,66 0,73 0,84 10 2 0,74 10 2 м/сут, |
|||
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
б |
|||||
которое занос |
тся в стол ец 9 та л. 20. |
||||||
|
Вывод. Расчетное |
|
коэффициента фильтрации глины со- |
||||
ставляет |
10 |
0,74 10 |
2 |
, м/сут. Согласно табл. 17 грунт водонепрони- |
|||
k fr |
|
||||||
цаемый. |
|
|
А |
||||
|
|
|
|
|
|
Контрольныевопросы |
|
1. Какова цель выполненной ла ораторной работы? |
|||||||
2. |
Какова последовательность определения коэффициента фильтра- |
||||||
ции песчаных грунтов в выполненной работе? |
|||||||
3. |
|
|
|
|
|
|
Д |
Каково минимальное число определения частных значений коэф- |
|||||||
фициента фильтрации? |
|
|
|||||
4. |
Какой прибор использован для определения коэффициента фильт- |
||||||
рации песчаных грунтов? |
|
||||||
5. |
Что называют коэффициентом фильтрации? |
||||||
6. |
Какое свойство грунтов характеризует коэффициент фильтрации? |
||||||
7. |
Что называют начальным напором Н0 при определении коэффици- |
||||||
ента фильтрации? |
|
|
|
||||
8. |
Что называют начальным градиентом напора и в чем он измеряет- |
||||||
ся? |
|
|
|
|
|
|
|
9. |
От чего зависит значение начального градиентаИнапора? |
||||||
10. Каким образом можно повысить коэффициент фильтрации песка |
|||||||
или понизить для глинистого грунта? |
|||||||
11. От |
каких |
|
свойств |
грунта зависит коэффициент фильтрации? |
|||
63